第4章焊接应力与变形ppt课件

1、第一节第一节 焊接应力和变形概述焊接应力和变形概述第二节第二节 焊接残余变形焊接残余变形第三节第三节 焊接残余应力焊接残余应力第第4 4章章 焊接应力与变形焊接应力与变形教学重点焊接应力和变形的概念、分类；减少和防止焊接残余应力及变形的措施；教学难点本章重点与难点焊接应力和变形产生的过程及原因；控制焊接应力和残余变形的措施学习目标掌握产生焊接应力和变形的原因、特点、类型；掌握控制焊接应力和变形的工艺措施。应用能力学习目标与应用应用合理的焊接结构设计、工艺措施控制焊接应力和变形的方法 什么是应力什么是应力什么是内力由外力或其他因素引起物体内部之间的相互作用力单位截面积上的内力单位截面积上的内力1

2、.工作应力工作应力2.内应力内应力4.1焊接应力和变形概述4.1.1焊接应力和变形的概念 内应力详解内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力内应力产生的原因温度应力热应力）残余应力由于构件受热不均匀引起（举例：金属框架详解，此种情况在温度应力不高，即低于材料的屈服极限，框架里不产生塑性变形）如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度恢复到原始的均匀状态后产生了新的内应力即残余应力 什么是变形什么是变形外力外力温度温度外形尺寸改动变形弹性变形塑性变形在外力或其他因素作用下发生变形，当外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体恢复原状相反，当外力或其他因素

3、去除后，变形仍然存在，即物体不能恢复到原状态下的变形 什么是焊接应力与焊接变形内应力焊接应力焊接变形焊接过程中的某一瞬时值焊接后残留于焊件中的值焊接瞬时应力焊接瞬时变形焊接残余应力焊接残余变形焊接构件由焊接而产生的内应力是焊件由焊接而产生的变形包括尺寸和形状的改变 1.按应力的 分布范围 2.根据结构中的空间位置围平衡的应力超微观应力：在晶格范内相互平衡的应力微观应力：在晶粒范围范围平衡的应力宏观应力：在整个焊接. 3. 2. 1焊接应力产生的原因及分类焊接应力产生的原因及分类 1的三个方向作用三向应力：应力沿构件的两个方向作用双向应力：应力沿构件的一个方向作用单向应力：应力沿构件. 3. 2

4、. 1 焊接应力产生的原因及分类13.根据应力根据应力与焊缝的与焊缝的相对位置相对位置4.根据应力根据应力产生产生 、作、作用的时间用的时间5.根据应力根据应力 形成原因形成原因 向与焊缝垂直横向应力：应力作用方向与焊缝平行纵向应力：应力作用方. 2. 1应力残余应力：焊后留下的现的应力瞬时应力：焊接过程出. 2. 1受阻属组织转变时体积变化组织应力：由于接头金力变形受到拘束引起的应拘束应力：由于焊件热均匀加热引起的应力温度应力：由于焊件不. 3. 2. 1焊接变形产生原因及分类 21.自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发

5、生变化，如果这种变相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。化没有受到外界的阻碍而自由的进行。单位长度的自由变形量：单位长度的自由变形量：010TTLLT0LLTT01TT 焊接变形产生原因及分类 22.外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形变形，称为外观变形。3.内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形部变形 ； 000LLTLLL00LL 钢的屈服极限s在050

6、0时基本是一常数。当温度超过500时， s发生陡降，当温度达到600时， s接近于零。说明钢材此时几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下就可以发生塑性变形。4.1.2焊接应力和变形产生的过程 焊接是一个加热和冷却的热循环过程，焊接时金属受热和冷却的整个热循环的温度范围常在1500以上。 见P51图4-1所示 焊接时的应力和变形的形成主要取决于焊接热过程，以及焊件在焊接过程中受拘束的条件 1.均匀加热时引起应力与变形的原因见P52图4-3所示）（1能自由膨胀和收缩的无拘束状态杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力 杆件一端固定的自由热变形0TtT留意（2杆件两端完全固定，不能膨胀也

7、不能收缩刚性拘 束状态杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时不能自由变形的变形和应力 受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力s|1 . 4ttTT01t2t 杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力CTos500;|2 . 4max0Tt1t2t 3t4ts2psrsT杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力s01t2t3t4tts 5t6t7t4psTs500600Co500Co600CTos600;|3 . 4maxT3.有一定程度的拘束状态 杆件在拘束条件为加热时不能自由

8、膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力 s|4 . 4T0t1t杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力TT1t2t3t4t2pt500Co500ss2pCTos500;|5 . 4max0杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力500600Co500Co6004p4p1t2t3t4t5tT0TtsCTos600;|6 . 4max 结论： 焊接变形和焊接应力都是由于焊接是局部的不均匀加热引起的 焊接时加热区金属在周围母材金属一定程度的拘束作用下，不能自由地热胀冷缩 在加热时，发生压缩塑性变形，在冷却时若能够收缩就产生焊接变形，若不能自由地收缩

9、就产生焊接应力。 当焊件拘束度较小时，冷却时能够比较自由地收缩，则焊接变形较大而焊接应力较小 若焊件拘束度较大或外加较大刚性拘束，则冷却时不能自由地收缩，焊接变形较小而焊接应力很大2.不均匀加热时引起应力与变形的原因（1长钢板一侧加热引起的应力和变形长钢板在中心加热引起的纵向收缩变形和应力 长板条冷却后产生的残余应力和变形 残余应力的分残余应力的分布是：焊缝及布是：焊缝及近焊缝区域受近焊缝区域受到拉应力，常到拉应力，常达以后随远离达以后随远离焊缝依次是压焊缝依次是压应力，拉应力，应力，拉应力，形成三个正负形成三个正负相间的应力分相间的应力分布区。布区。（2对接接头Y形坡口焊接后的角变形 对接接

10、头Y形坡口的焊缝，在焊缝正面较宽，在根部较窄，因此冷却时焊缝横向收缩变形在焊件厚度方向上不均匀，焊缝横截面上部横向收缩变形大，下部与根部横向收缩变形小，造成构建平面的偏转，产生角变形4.2 焊接残余变形 焊接是一个不均匀加热和冷却的过程 焊接过程中出现应力和变形 焊后焊接结构产生焊接残余应力和焊接残余变形。 4.2.1焊接残余变形的分类 焊接残余变形主要有焊接残余变形主要有 收缩变形纵向、横向收缩角变形、弯收缩变形纵向、横向收缩角变形、弯曲变形、波浪变形曲变形、波浪变形 (失稳变形失稳变形) 和扭曲变形和扭曲变形 见图见图4-1所示及错边变形所示及错边变形图1-29a)b)c)d)e)图4-1

11、 焊接变形的基本变形形式a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形前往1.收缩变形定义：焊件尺寸比焊前缩短的现象。分类：纵向收缩变形：横向收缩变形 见4.7所示（1纵向收缩变形：沿焊缝轴线长度方向尺寸的缩短由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，当焊接冷却后该区域产生收缩而引起图4-7 纵向和横向收缩变形纵向横向收缩变形纵向收缩变形的影响因素 焊缝的长度 焊件的横截面积大小 焊接材料的弹性模量 焊件中产生压缩塑性变形的区域面积大小 产生压缩塑性的变形率纵向收缩变形的规律及措施 焊件的横截面积越大焊件的纵向收缩量越小 焊缝的长度越长焊件的纵向收缩量越

12、大 焊接时的热输入越大纵向收缩越大 焊件的原始温度越高焊件的纵向收缩量越大 焊件材料的线膨胀系数越大焊件的纵向收缩量越大采用间断焊缝代替连续焊缝采用多层焊接工艺代替单层焊(补充)焊接时提高焊件的初始温度，可降低压缩塑性的变形量选择线膨胀系数较小的材料进行焊接（2横向收缩变形：垂直焊缝轴线方向尺寸的缩短横向收缩变形与纵向收缩基本相同，但是影响的因素较多：线能量、接头形式、装配间隙、板厚等横向收缩变形的影响因素1与热输入有关：横向收缩变形随焊接热输入增大而增加。2与间隙有关：装配间隙增加，横向收缩也增加，如图4-83与焊接长度有关：焊缝的横向收缩沿焊接方向由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。

13、4与拘束程度有关：定位焊缝越长，横向收缩变形量就越小5与金属填充量有关：对接接头的横向收缩量随焊缝金属量的增加而增加大的6与焊接方法有关：焊接方法对横向收缩量也有影响。7与焊缝形式有关：角焊缝的横向收缩要比对接焊缝小得多。 焊接线能量增大横向收缩量增大 装配间隙增大横向收缩量增大 横向收缩量的分布规律：沿着焊接长度方向由小到大，随后趋于稳定。 焊缝金数量填充量增加横向收缩量增大 热输入、焊材板厚及坡口角度增大横向收缩量增大横向收缩变形的规律图4-8 带间隙平板对接焊的横向收缩变形过程角变形、弯曲变形和波浪变形3. 弯曲变形挠曲变形） 定义：长构件因不均匀加热和冷却在焊后两端挠起的变形弯曲变形的

14、影响因素（1纵向收缩引起的弯曲变形：如图4-9所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。当焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。（2横向收缩引起的弯曲变形：焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时引起的，如图4-10图4-9 焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形图4-10 焊缝横向收缩引起的弯曲变形横向引起弯曲变形 横向引起弯曲变形与横向引起弯曲变形与焊缝到焊件形心的距焊缝到焊件形心的距离成正比离成正比3 角变形 定义：焊接时由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形 角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。对接接头的角变形 平板堆焊中的角变形T形接头

15、的角变形1）.焊缝横向焊缝横向收缩引起的收缩引起的弯曲角变形弯曲角变形 2）.焊缝金属焊缝金属收缩引起的收缩引起的倾斜角变形倾斜角变形 4. 波浪变形翘曲变形） 定义：薄板焊接时，因不均匀加热，焊后构件呈波浪状变形，或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的波浪状变形，见图4-11所示 波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接又称之为失稳变形。 缘由：薄板在承受缘由：薄板在承受压应力，当其中的压应力，当其中的压应力达到压应力达到-临界力，临界力，薄板将出现波浪变薄板将出现波浪变形失去承载能力，形失去承载能力，称之为失稳。称之为失稳。图4-11 焊接角变形引起的波浪变形 5. 扭曲变形

16、 定义：焊后构件发生扭曲 产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀及工件的纵向错边有关。工字梁的扭曲变形6.错边变形 缘由：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装缘由：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边配不善会造成错边4.2.2影响焊接残余变形的因素 影响焊接残余变形大小的因素：影响焊接残余变形大小的因素： 焊缝在结构中的位置焊缝在结构中的位置 焊接结构的刚性焊接结构的刚性 焊缝的长度和坡口形式焊缝的长度和坡口形式 焊接结构的装配顺序焊接结构的装配顺序 焊接工艺方法焊接工艺方法 焊接操作方法焊接操作方法 结构材料的膨胀系数等结构材料的膨胀系数等1.1.焊缝

17、在结构中的位置焊缝在结构中的位置 焊接结构刚性不大、焊缝在结构中对称焊接结构刚性不大、焊缝在结构中对称布置或焊缝在结构的中性轴上、焊缝截面重布置或焊缝在结构的中性轴上、焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置即焊缝截面心与接头截面重心在同一位置即焊缝截面上下左右对称施焊顺序与方向合理时，主上下左右对称施焊顺序与方向合理时，主要产生纵向缩短和横向缩短要产生纵向缩短和横向缩短 焊缝在结构中布置不对称时，焊后要产焊缝在结构中布置不对称时，焊后要产生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝较多的一侧生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝较多的一侧 焊缝偏离结构中性轴式，则焊后要产生焊缝偏离结构中性轴式，则焊后要产生弯曲变形，弯曲

18、方向朝向焊缝一侧，焊缝偏弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝一侧，焊缝偏离结构中性轴越远，则越容易产生弯曲变形离结构中性轴越远，则越容易产生弯曲变形2.焊接结构的刚性 衡量焊接接头刚性大小的定量指标拘束度 拘束度 拉伸拘束度 弯曲拘束度 拘束度越大，刚性越大，焊接结构越不易变形 结构抵抗拉伸的刚性主要决定与结构面积的大小 截面积越大，拉伸拘束度就越大，则抵抗拉伸的刚性就越大，变形就越小。 结构抵抗弯曲的刚性主要看结构的截面形状和尺寸大小 结构抵抗扭曲的刚性除了决定于结构的尺寸大小外，最主要的是结构截面形状 短而粗的焊接结构，刚性较大；细而长的构件，抗弯刚性小阐明阐明结论结论3.3.焊缝长度和坡口形式焊缝

19、长度和坡口形式 焊缝截面越大，焊缝长度越长，焊缝截面越大，焊缝长度越长， 焊接变形越大。焊接变形越大。Y形坡口的焊缝和角焊缝横向收缩要产生角变形。坡口角度形坡口的焊缝和角焊缝横向收缩要产生角变形。坡口角度越大，角变形越大。越大，角变形越大。Y形形V形坡口比形坡口比U形坡口角变形大。形坡口角变形大。X形双形双Y形坡口比形坡口比Y形坡口角变形小。形坡口角变形小。 X形坡口比双形坡口比双U形坡口角变形大。形坡口角变形大。I形坡口角变形小。坡口的根部间隙越形坡口角变形小。坡口的根部间隙越大，则变形越大。大，则变形越大。 4.焊接结构的装配及焊接顺序焊接结构的装配及焊接顺序 焊接结构的刚性是在装配、焊接

20、过程中逐渐增大的，结焊接结构的刚性是在装配、焊接过程中逐渐增大的，结构整体的刚性总比它的零、部件刚性大构整体的刚性总比它的零、部件刚性大 尽可能先装配尽可能先装配整体，然后再焊接，可减少焊接结构的变形。整体，然后再焊接，可减少焊接结构的变形。 焊接顺序不合理，引起焊接变形焊接顺序不合理，引起焊接变形 合理的焊接顺序，合理的焊接顺序，可使变形达到最小可使变形达到最小5.5.焊接线能量焊接线能量 焊接线能量越大，焊接变形也越大。焊接变形随着焊接电流的增大而增大，随着焊接速度的加快而减小。 焊件形式尺寸及刚性拘束度相同条件下，埋弧自动焊产生的变形比焊条电弧焊大，CO2气体保护焊和氩弧焊产生的变形比焊

21、条电弧焊小 气焊、电渣焊的焊接变形大，电弧焊引起的焊接变形小，电子束焊和激光焊的焊接变形极小 单道焊、大电流慢速摆动焊的线能量大，引起的焊接变形比多层多道焊、小电流快速不摆动焊大。对称的焊缝对称施焊时，可减少焊接变形或不产生某种变形。 结构材料的线膨胀系数大如不锈钢），热胀冷缩量大，引起的焊接变形大4.2.3 控制焊接变形的措施控制焊接变形的措施1. 设计措施（1） 选择合理的焊缝形状和尺寸：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸1选择最小的焊缝尺寸(如图4-12示） 图4-12 相同承载能力的十字接头2） 选择合理的坡口形式如图4-13示）选用焊缝金属少的坡口形式 a)角变形大

22、 b)角变形小图4-13T形接头的坡口（2尽可能减少焊缝的数量尽可能减少焊缝的数量 用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少肋板数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都对防止薄板结构的变形有利。 （3合理安排焊缝的位置见图4-14所示） 梁、柱等焊接构件、常因焊缝偏心配置而产生弯曲变形。箱形结构的焊缝安排a)b)图4-14 合理安排焊缝位置防止焊接变形a)不合理 b)合理反变形法反变形法定义：在焊接前对焊件施加具有大小相同、方向相反的变形定义：在焊接前对焊件施加具有大小相同、方向相反的

23、变形，以抵消焊后发生变形的方法。这种方法可以防止弯曲变，以抵消焊后发生变形的方法。这种方法可以防止弯曲变形和角变形。形和角变形。(如图如图4-15所示）所示）2.工艺措施平板对接焊时的反变形法a)b)c)图4-15 无外力作用下的反变形法a)平板对接焊 b)电渣对接立焊 c)工字梁翼板反变形刚性固定法 在无反变形的情况下，将构件在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好和波浪变形较好定义：当焊件刚性较小时，利用外加刚性拘束来减少焊件焊定义：当焊件刚性较小时，利用外加刚性拘束来减少焊件焊后变形的

24、方法后变形的方法 1将焊件固定在刚性平台上，如图4-16 2将焊件组合成刚度更大或对称的结构，如图4-17 3利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，如图4-18 4利用临时支撑增加结构的拘束，如图1-19图4-16 薄板拼接时的刚性固定图4-17 T形梁的刚性固定与反变形图4-18 对接拼板时的刚性固定图4-19防护罩焊接时的临时支撑选择合理的装配焊接顺序1大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。2焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图4-203对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图4-214焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图4-225长焊

25、缝焊接时，可采用图4-23所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形图4-20 主梁装配焊接a) 形梁结构示意图 b) 形梁的装配焊接方案图4-21 压力机压型上模的焊接顺序a)压型上模结构图 b)、c)、d)焊接顺序a)b)c)d)图4-22圆筒体对接焊缝的焊接顺序a)b)c)d)图4-23 长焊缝的几种焊接顺序合理地选择焊接方法和焊接工艺参数图4-24 非对称截面结构的焊接采用快速高温焊接方法或小能量热输入可以减少焊接变形热平衡法采用热平衡法防止焊接变形散热法散热法示意图a)水浸法散热 b)喷水法散热 c)散热垫法散热4.2.4 矫正焊后残余变形的方法1.手工矫正法:主要用于矫正一些

26、小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形2.机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，如图4-253.火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形（1点状加热，如图4-26（2线状加热，如图4-27（3三角形加热，如图4-28火焰矫正变形的效果取决于三个因素：（1加热方式（2加热位置（3加热温度和加热面积图1-59图4-25 机械矫正法前往图4-26 点状加热适用于波浪变形a)b)c) 图4-27 线状加热a)直通加热 b)链状加热 c)带状加热前往适用于角变形图4-28 工字梁弯曲变形的火焰矫正弯曲变形适用于三角形加热三角形加热4.3 焊接残余应力焊接残

27、余应力4.3.1焊接残余应力的分类1. 按产生应力的原因分类（1热应力温度应力） 焊接是不均匀加热和冷却过程，焊件内部主要由于受热不均匀、温度差异所引起的应力。（2拘束应力 主要由于结构本身或外加拘束作用而引起的应力。（3相变应力组织应力） 主要由于焊接接头区产生不均匀的组织转变而引起的应力（4氢致集中应力 主要由于扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的应力。 上述四种残余应力，以热应力和相变应力为主，那么： 内应力按产生的原因分为热应力温度应力和相变应力组织应力）。 2.按应力存在的时间分（1焊接瞬时应力 （2焊接残余应力3.按应力在空间的方向分类（1单向应力线应力） 在焊件中沿一个方向存在的应力。

28、例如：焊接薄板的对接焊缝及在焊件表面堆焊时产生的应力（2双向应力平面应力） 作用在焊件某一平面内两个互相垂直方向上的应力 例如：常发生在厚度为15-20mm的中厚板焊接结构中 3 3三向应力体积应力）三向应力体积应力） 作用在焊件内互相垂直的作用在焊件内互相垂直的3 3个方向的应力个方向的应力例如：焊接厚板的对接焊缝和互相垂直的例如：焊接厚板的对接焊缝和互相垂直的3 3各方向焊各方向焊缝交汇处的应力缝交汇处的应力 金属受热和冷却时产生的体积膨胀和收缩是三个方向， 则残余应力总是三向应力，忽略很小的一个或两个方向 应力，变为双向应力或单向应力 4.3.2 焊接残余应力对结构的影响1. 对结构强度的影响 引起热裂纹和冷裂纹 促使接触腐蚀介质的结构在使用时容易发生应力腐蚀，产生应力腐蚀裂纹，引起应力腐蚀低应力脆断。降低结构的承载能力在应力集中、结构刚性拘束大、焊接缺陷较多部位，存在拉伸焊接残余应力减低结构使用寿命，易导致脆断2. 对焊件加工尺寸精度的影响3. 对受压杆件稳定性的影响机械加工引起内应力释放和变形设计原则设计原则减小应力集中面突变处，应力最严重的区域和断焊缝尽量不布置在工作式采用刚性较小的接头形尽量避免三轴交叉焊缝离为容器上相邻焊缝最小距合相关要求相邻焊缝最小距离要符焊缝不止应避免集中，尺寸和长度下，尽量减少焊缝截面在保证结构强度的前提.